DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.017
半固态复合熔铸过程中SiC与2A11合金的润湿性
孟宪云 张峻巍 陈彦博 温景林
东北大学材料与冶金学院
东北大学材料与冶金学院 沈阳110004
摘 要:
研究了SiC增强铝基复合材料的半固态法制备 , 分析了SiC颗粒与基体金属之间的润湿性 , 提出了解决SiC颗粒与基体金属之间润湿的措施。结果表明 :将SiC颗粒进行高温处理 , 在其表面涂覆K2 ZrF6, 在 2A11合金熔体中添Mg元素 , 可改变SiC与铝基体的浸润性。
关键词:
半固态 ;电磁搅拌 ;润湿性 ;金属基复合材料 ;
中图分类号: TB331
收稿日期: 2000-12-06
Wettability of SiC and 2A11 alloy in semi-solid casting process
Abstract:
The 2A11 matrix composite reinforced by SiC was studied, which was fabricated by semi solid casting. The influence factor of wetting between SiC and matrix metal was analyzed, and the way was supplied to solve this problem. The results show that the wettability can be improved by treating SiC in high temperature, coating K 2ZrF 6 on it, and adding Mg in 2A11 alloy.
Keyword:
semi solid; electromagnetic stirring; wetting; metal matrix composites;
Received: 2000-12-06
SiC颗粒增强铝基复合材料
[1 ,2 ]
具有高比强度、 高比刚度、 高耐磨性、 低热膨胀等特点, 它主要用于航天航空工业、 兵器工业、 汽车工业等领域。
制备颗粒增强铝基复合材料常用的方法有粉末冶金法、 搅拌铸造法、 预制件浸制法以及喷射沉积法等方法。 其中搅拌铸造法又分为液相法和半固态法
[3 ]
两类。 液相法利用电磁或机械搅拌, 在基体金属完全是液相的状态下加入增强颗粒 (如SiC, Al2 O3 等) 来制备复合材料; 半固态法则利用基体金属在液固共存的状态下, 边搅拌边加入颗粒来制备复合材料。
本文作者研究采用半固态法制备SiC颗粒增强2A11合金复合材料。 由于SiC和2A11合金不互溶, 而且密度相差较大, 采用液相法难于制备。 其主要原因是SiC颗粒在熔炼和成形过程中, 大的颗粒极易沉淀, 而微小的颗粒易上浮, 使SiC在2A11合金中分布不均匀或产生积聚。 为了获得SiC在基体金属中分布均匀、 无宏观偏析与缺陷的复合材料, 我们首先对半固态法制备复合材料熔铸过程中SiC颗粒与2A11合金的润湿性问题进行了实验研究。
1 实验方法
1.1 电磁搅拌实验装置
实验采用自行设计与制造的外置式电磁搅拌实验装置, 如图1所示。 由于实验装置的各种部件为自行购买与组装, 为了保证实验正常、 稳定和安全地进行, 对实验装置的搅拌系统、 加热系统、 冷却系统及电控系统进行了全方位的调试和检验。
图1 电磁搅拌实验装置示意图
Fig.1 Electromagnetic stirring equipment of semi-solid experiment
1—Stopple;2—Stirring furnace;3—Resistance line;4—Insulating layer;5—Solution;6—Electromagnetic stick;7—Cooling mold
电磁搅拌器的磁场强度与搅拌速度可调, 有保温和温度自动检测系统, 且冷却水流量可调, 可基本满足小型实验要求。
主要参数: 炉膛内径d 80 mm; 加热功率4.5 kW; 工作电压0~220 V; 磁场功率18 kW; 工作电流0~10 A; 冷却水流量1.50 L/min。
1.2 SiC和2A11材料
本实验以2A11 (2017) 合金为复合材料的金属基体, 选用黑色SiC粉末为增强材料, 其平均直径为2 μm。
1.2.1 SiC颗粒的预处理
为了改善SiC颗粒与金属基体之间的浸润性, 在SiC颗粒加入半固态铝液之前, 对SiC颗粒进行了如下表面预处理。
1) 高温处理
将SiC颗粒盛入耐高温容器中, 加热至1 200 ℃, 保温1 h。
2) 表面涂覆K2ZrF6
将SiC颗粒倒入盛有K2 ZrF6 溶液的容器中, 搅拌均匀, 然后加热将SiC颗粒烘干。
1.2.2 2A11合金的预处理
在2A11合金熔体中添加适量金属元素Mg。 由于Mg有利于改善铝合金与SiC颗粒之间的浸润性, 故预备了纯镁块。
1.3 复合材料制备工艺
将2A11合金熔体在炉中进行电磁搅拌。 当熔体温度达到2A11合金液相线温度以下进入液固两相区时, 边搅拌边加入处理过的SiC颗粒。 当熔体达到一定固相率时, 将半固态金属浇入铸模中, 并快速冷却。
主要工艺参数为: 合金熔炼温度760 ℃; 熔体除气温度720 ℃; 熔体搅拌温度700 ℃; 2A11合金液相线温度641 ℃; 半固态复合材料搅拌时间12 min; 半固态复合材料铸造温度639 ℃。
1.4 实验方案
为了研究SiC与2A11熔体的润湿性, 在半固态复合铸造中采用表1所示的6种不同的实验方案。
表1 不同处理条件下的润湿性实验方案
Table 1 Wettability scheme at different condition of SiC particle pre-treatment
No.
SiC particle pre-treatment
Addition of Mg
Smeared with K2 ZrF6
Heat treatment at high temperature
1
No
No
No
2
No
No
Yes
3
No
Yes
No
4
Yes
No
No
5
No
Yes
Yes
6
Yes
Yes
No
2 实验结果
铝金属基体与SiC颗粒之间的浸润性的重要判据, 就是看SiC颗粒在基体中所占的体积分数。
在实验中, 每次向2A11合金熔体中加入10% (体积分数) 的SiC颗粒, 并取铸造试样, 利用IAS-4型图像分析仪, 根据灰度反差原理定量测量SiC颗粒在试样中的体积分数
[4 ,5 ]
, 各组实验数据见表2。
表2 SiC在2A11合金中不同部位的体积分数 (%)
Table 2 Volume fraction of SiC at different parts in 2A11 alloy (%)
No.
1
2
3
4
5
2#
2.621
2.191
1.231
1.395
1.366
3#
2.915
2.943
3.440
1.683
1.432
4#
8.316
7.350
7.689
7.533
8.500
5#
8.619
10.15
8.908
8.607
9.055
6#
5.817
6.250
6.900
6.442
6.341
No.
6
7
8
9
Average value
2#
1.916
1.810
1.486
1.170
1.687
3#
1.518
3.289
2.713
2.360
2.477
4#
6.024
6.158
4.482
4.501
6.728
5#
8.623
9.408
8.735
9.599
9.078
6#
5.186
5.507
6.974
7.561
6.331
1, 2, 3—Top part; 4, 5, 6—Middle part; 7, 8, 9—Bottom part
由表2可以看到:
1) 2# , 3# 试样的铝熔体中添加了金属元素Mg或高温加热处理过的SiC颗粒, 在复合材料中SiC颗粒的体积分数非常少, 仅有1.687%或2.477%。 这说明在此情况下SiC颗粒与铝基体间的浸润性很差。
2) 4# 试样的实验数据表明, 采用SiC颗粒表面涂覆K2 ZrF6 的处理方法, 要比2# 和3# 的实验效果好, 但SiC颗粒在材料中的体积分数也仅有6.728%, 效果不甚理想。 这主要是因为: 对于一定数量的SiC颗粒 (假设颗粒形状为近似球形, 直径为2 μm) , 其表面积约是一根等质量的SiC纤维 (d 10 μm) 的表面积的7.5倍。 而K2 ZrF6 在水中的溶解度又是有一定限度的, 因此, 在SiC颗粒表面所能涂覆的K2 ZrF6 的量非常少, 影响了这种方法的实际作用效果。
3) 5# 试样的实验效果最好。 SiC颗粒在材料中的体积分数为9.078%, SiC颗粒的分布均匀。 这说明向铝熔体中添加金属元素Mg, 同时采用高温加热处理过的SiC颗粒, 可较好地改善2A11合金与SiC颗粒的润湿性。
4) 在一定范围内, 提高搅拌功率、 改变搅拌方式对增加SiC颗粒在复合材料中的体积分数具有明显作用。
5) 从全部实验数据来看, 向铝熔体中添加金属元素Mg, 同时采用高温加热处理过的SiC颗粒, 是一种较为理想的改善金属基体铝与SiC颗粒之间浸润性的措施。 对采用该法得到的材料进行金相分析表明, SiC颗粒在基体中分布均匀、 弥散。
3 结果分析
用搅拌法制备SiC颗粒增强铝基复合材料遇到的最大难题就是SiC颗粒与铝熔体不互相浸润, 使颗粒难以加入和均匀分散。 改善金属基体与SiC颗粒的浸润性的措施有多种多样。 本实验以简便、 经济和有效为原则, 采取添加金属元素Mg, SiC颗粒高温处理以及SiC颗粒表面涂覆K2 ZrF6 等措施来改善SiC与2A11基体金属之间的浸润性。
1) 添加金属元素Mg
在不影响合金的组织性能的条件下, 添加金属元素是一种经常使用并比较有效的改善润湿性的措施。 由各种元素对铝表面张力的影响 (见图2) 可知, 向2A11铝熔体中添加金属元素Mg, 能够降低铝熔体与固体颗粒的界面张力, 从而改善Al对SiC颗粒的润湿性。 特别是对于Al-Cu-Mg合金, 合金的表面张力的降低主要取决于表面活性成分Mg的含量
[6 ]
。
2) SiC颗粒的高温加热处理
SiC颗粒表面在使用前往往被各种有机物污染或吸附了水分, 这对复合过程的混合、 浸润有害, 并增加了熔体中的气体。 因此, 在复合前, 应对颗粒表面进行处理, 以去除颗粒表面吸附的气体和水分。
经过适当的高温加热处理, 一方面, 有害物质挥发除去; 另一方面, SiC颗粒经高温氧化, 在其表面形成连续致密的SiO2 层。 在复合过程中, SiO2 与Al液发生如下反应
[7 ,8 ]
:
3SiO2 +4Al=3Si+2Al2 O3 (1)
Si的生成抑制了Al4 C3 的产生, 有利于改善金属基体与SiC颗粒之间的化学相容性。 同时, 这种适量的界面反应能够促进基体Al与SiC颗粒之间的界面结合, 改善浸润性。
图2 铝中加入合金元素后的表面张力
Fig.2 Surface tension after adding alloy elements in Al
3) SiC颗粒表面涂覆K2ZrF6
Rocher等
[9 ,10 ]
研究发现, SiC纤维 (或颗粒) 表面经K2 ZrF6 溶液处理, 能够大大改善基体Al与SiC纤维 (或颗粒) 的浸润性。 沉积在SiC纤维 (或颗粒) 表面的K2 ZrF6 与铝熔体发生如下反应:
3K2 ZrF6 +4Al=K3 AlF6 +3KAlF4 +3Zr (2)
3Zr+9Al=3Al3 Zr (3)
这些反应可以改善铝与SiC颗粒的润湿性, 机理为:
① 清洁SiC颗粒的表面;
② 由于反应 (2) 属于放热反应, 造成颗粒表面温度升高, 从而降低接触角θ ;
③ 由于反应使SiC颗粒表面生成Al3 Zr, 而在颗粒周围引起了不均匀形核。
在实验中, 用K2 ZrF6 溶液处理事先高温加热过的SiC颗粒, 其目的就是希望两种机制共同作用, 从而更为有效地改善SiC颗粒与铝基体之间的浸润性。
4) 添加金属元素Mg与高温加热处理过的SiC颗粒共同使用
基于上述同样的目的, 在实验中, 事先向铝熔体中加入金属Mg, 然后将高温加热处理过的SiC颗粒加入旋转的半固态金属浆体中。 当SiC颗粒表面包覆的SiO2 与Al作用生成Al2 O3 后, Mg与包覆的Al2 O3 层的SiC颗粒发生界面反应:
4Al2 O3 +3Mg=3MgAl2 O4 +2Al (4)
由式 (1) 和式 (4) , 又可得到
6Al+6SiO2 +3Mg=3MgAl2 O4 +6Si (5)
最后, 在固液界面形成尖晶石和硅。 当界面反应适度时, 可明显改善SiC颗粒与基体Al的浸润性。 另外, 这类界面反应轻微, 颗粒不会受到损伤而使其性能下降, 不生成大量界面反应产物; 界面结合强度适中, 从而可制备高性能的SiCp /Al复合材料
[11 ]
。
4 结论
1) 降低SiC颗粒与Al熔体之间的表面张力, 可增强SiC颗粒与2A11基体金属之间的润湿性。
2) 将SiC颗粒进行表面处理或者在2A11合金熔体中添加Mg元素均可以改善SiC与Al的润湿性。
3) 将SiC颗粒进行表面处理, 同时向2A11熔体中添加Mg元素, SiC与2A11合金的润湿性可得到明显改善。
参考文献
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